我国是农业生产大国，农业机械化推动农业的发展。近些年来，畜牧业的快速发展对饲料饲草的需求量日益增加，而饲料饲草的需求量大于产出量，制约了我国畜牧业的发展[1]。玉米秸秆是一种绝佳的养殖饲料，但玉米秸秆并未充分利用，大多都被作为燃料焚烧，或者堆积[2]。这样处理不仅降低了秸秆利用率，还将造成环境污染。在《全国种植业结构调整规划(2016—2020年)》提出要以养带种，以种促养的原则。玉米秸秆是一种具有高能量的粗纤维饲料，具有适口性好、耐久藏、养分保存率高和种植效益高的特点[3],且畜牧业对饲料饲草的大量需求，促进了青贮收获的机械化发展。由于切段长度是影响青贮品质的重要因素，故切碎装置是影响切断长度的直接因素。

为此，对多种滚刀式切碎装置进行对比，选择工作效率更高、切碎效果更好且适合搭载在4500青贮收获机上的切碎装置，进行试验，旨在为切碎装置的设计与优化提供一定的参考。

1、总体结构及工作原理

1.1整机结构

4500型青黄贮饲料收获机主要由割台、喂入装置、切碎装置、籽粒破碎、二次抛送、抛料筒及驾驶室等组成，如图1所示。

1.2工作原理

整机工作流程：割台将玉米秸秆从根部切断，由拨轮将玉米拨送至喂入装置，喂入装置再将玉米压实输送到切碎装置处；切碎装置中的切碎刀轮与定刀将玉米切成段，再由切碎刀轮的抛送结构将已被切割的饲料抛送到籽粒破碎处，对其中的茎节、籽粒进行充分破碎；然后，经由二次抛送，将饲料通过抛料筒抛送到集料车，玉米由此过程变为高质量的青贮饲料。喂入装置通过两对喂入辊对蓬松的物料进行压缩，能够更好地保证切段长度从而确保饲料的质量。籽粒破碎装置则是将秸秆上的茎节与籽粒进行充分破碎，保证饲料中的籽粒也可以充分的发酵。在整个作物流中，各旋转部件的转速从割台往后是依次递增的，便于更好地接收前一级工作部件输送来的物料，有效地防止在工作过程中出现堵料的现象。

2、切碎装置选择及设计

2.1切碎装置结构对比

切碎装置是将喂入装置输送来的被压实的物料进行均匀的切碎，按照结构可以将其分为滚刀式和盘刀式两种类型。其中，滚刀式切碎装置结构紧凑，可在滚筒上安装更多的动刀，在低转速的情况下也可以实现较短的切段长度，且动刀刀刃都处于同一个圆周上，能确保更好的切段质量。滚刀式切碎装置还具有更换刀片方便、快捷，便于磨刀的优点。

滚刀式切碎装置结构如图2所示。其动刀绕切碎器轴旋转与定刀形成切割副，将喂入装置喂入的物料切段。喂入装置根据动刀的形状可以分为螺旋曲面型、平板型和弧形曲面型[4]。

螺旋曲面型的滚刀切碎器如图3(a)所示。其动刀片整体呈螺旋型，形成了螺旋形的刃口。因为动刀刀刃螺旋角的存在，可以更好滑切从而减少切割的阻力；但这种刀片的加工难度太大，且难以控制与定刀间距及磨刀困难和抛送效果差。

平板型的滚刀切碎器如图3(b)所示。其动刀片呈直板型，安装会使动刀与定刀之间存在一定的倾斜角。这种滚刀切碎器刀片虽然加工简单，但功耗大，对物料的抛送效果差。

弧形曲面型滚刀切碎器如图3(c)所示。其动刀片整体呈内凹的曲面，这种结构使其在具有良好的切割质量的情况下还具有很好的抛送能力，但这种呈内凹曲面的刀片加工不易。

2.2切碎部件结构设计

通过对比上面传统的各种形式的滚刀切碎器，可以使其动刀与定刀呈一定倾斜角，刀片选择加工方便的直板式，弧形刀具有更好的抛送能力。根据以上优点设计出一款直板型的动刀片，刀刃处有一定的折角角度，如图4(a)所示。动刀片通过螺栓与动刀座连接，而动刀座焊合在动刀辊筒上，动刀座的内表面是曲面，与动刀片形成抛送空间，如图4(b)所示。以上的设计既保证切碎质量，又保证了动刀片的加工、安装、更换的便利及良好的抛送能力。为了更好地对物料进行切割，将长的直板刀等分成多把小的直板刀，使刀刃线更趋近于螺旋曲线。刀片呈“人”字安装，可使使切碎器受到的载荷均匀，动刀与物料作用力使得物料流向中间靠拢，减小了与侧壁摩擦损失动力。

2.3切割相关角分析

玉米秸秆的外皮与內瓤的机械强度差异较大，外皮机械强度高，內瓤较低，切割外皮所需要的切割力占63%～83%[5]。在滑切过程中，刀刃存在锯断作用，锯断过程中破坏极限小于压力破坏极限，故滑切比砍切省力，物料沿着动刀刃口的倾斜滑移，进而减少功耗、降低对刀的损耗，但滑切角过大，会导致推挤角增大，滑移距离增大[6]。当料层厚度增加，刀的表面对物料的摩擦力增加，滑切角增大会导致切割阻力的减小值小于与物料摩擦力的增大值。

在刀刃切割物料的过程中，动刀先将物料压紧(弹性变形),再在动刀刃口的压力作用下被切断(塑性变形),如图5所示。图5中，AB为动刀刃口，V为动刀切割速度V=ωr,Vn为砍切速度，Vt为滑切速度，τ为滑切角。其中，Vt=Vsinτ。

取秸秆上一质点M为研究对象，n为刃口法线方向，m为刃口切线方向，对秸秆滑切过程中质点动力学微分方程可描述为

其中，m为秸秆质点M的质量；τ为刀片的滑切角；FN为质点受到刀片的法向压力；FmS为沿m方向的摩擦力；FxS为沿x方向的摩擦力；ae为质点的牵连加速度；ar为质点相对刀片的加速度。

质点M在动刀AB的推动下具有沿x方向移动趋势，定刀与下层秸秆会对其产生一个反向摩擦力FxS,若质点M相对于动刀产生滑移时，则会受到沿着m方向的滑动摩擦力(见图6),即

FmS=FNtanθ (2)

其中，θ为质点与刃口之间的摩擦角。将式(2)代入式(1)可得

FN(tanτ-tanθ)=mar (3)

由式(3)可知：FN>0的情况下，只有τ>θ时，才有ar>0,产生滑切现象。

理想滑切情况为“原地切割”,即刀片对秸秆实施切割过程中，秸秆固定不动，刃口相对于秸秆沿m方向发生滑移。

动刀刃口与定刀刃口之间存在推挤角β,如图7所示。若推挤角β≥δ1+δ2,摩擦角的合力会将物料推离切割副，导致切割不均，故为保证切割质量，应使

β≤δ1+δ2

在切割的过程中β角是变化的，δ1是动刀对饲草的摩擦角，δ2是定刀对饲草的摩擦角。通常取δ1=32°,δ2=18°,所以推挤角β<50°[7]。

如图7所示，采用平板式动刀，并将整体的平板刀平均分割为4块平板动刀，在滚筒上分成4列，交错分布。动刀刃口线与滚筒轴线存在夹角α,多块布置可将刀刃口近似看成曲线，继承了螺旋形动刀的优点，则

tanα=πD/KL

其中，α为动刀刃与滚筒中心线夹角间存在夹角(°);D为切碎滚筒外径(mm);K为动刀片数；L为切碎滚筒长度(mm)。

平板刀刃口曲线是椭圆曲线的一部分，曲线方程为

如图7所示，采用平板式动刀，并将整体的平板刀平均分割为4块平板动刀，在滚筒上分成4列，交错分布。动刀刃口线与滚筒轴线存在夹角α,多块布置可将刀刃口近似看成曲线，继承了螺旋形动刀的优点，则

tanα=πD/KL

其中，α为动刀刃与滚筒中心线夹角间存在夹角(°);D为切碎滚筒外径(mm);K为动刀片数；L为切碎滚筒长度(mm)。

平板刀刃口曲线是椭圆曲线的一部分，曲线方程为如图7所示，采用平板式动刀，并将整体的平板刀平均分割为4块平板动刀，在滚筒上分成4列，交错分布。动刀刃口线与滚筒轴线存在夹角α,多块布置可将刀刃口近似看成曲线，继承了螺旋形动刀的优点，则

tanα=πD/KL

其中，α为动刀刃与滚筒中心线夹角间存在夹角(°);D为切碎滚筒外径(mm);K为动刀片数；L为切碎滚筒长度(mm)。

平板刀刃口曲线是椭圆曲线的一部分，曲线方程为如图7所示，采用平板式动刀，并将整体的平板刀平均分割为4块平板动刀，在滚筒上分成4列，交错分布。动刀刃口线与滚筒轴线存在夹角α,多块布置可将刀刃口近似看成曲线，继承了螺旋形动刀的优点，则

tanα=πD/KL

平板刀结构参数之间的关系为

Ztanα=RsinφA

其中，Z为刀刃长度；R为切碎滚筒刀刃轨迹半径；φA为刀刃上A点安装前倾角。

夹角α的存在，能够让切割长度保持不变，整个切碎器负荷均匀，运转平稳[8]。受平板刀切碎器结构的限制，一般取倾斜角α为4°～7°,通过试验取α=5°。平板刀的滑切角τ是一个变值,随Z值增大而增大；斜角α越大，滑切角τ也越大[4]。

动刀片刃磨角γ对切割物料所消耗的能量存在影响，刃磨角变大所耗能量增加，刃磨角变小，刀片不耐磨，通常取21°～25°,考虑刀刃强度，选用刃角为25°,如图8所示。刀具安装前倾角φ增大，切碎性能越好，但是会导致动刀前刀面与物料的摩擦增大、抛送能力下降；前倾角φ减小，增大刀片的迎风面积，加大了功率消耗[9]。所以要控制φ+γ<90°,故前倾角取φ=60°。

3、部件有限元分析

动刀作为切碎器的核心部件，影响切割质量。动刀是在工作过程中最易受损的部件，在循环应力的作用下，极易疲劳断裂，故材料、结构、安装方式、热处理工艺都会对动刀的寿命产生影响。根据拉宾诺维奇公式[10],有

V=tanθ⋅L⋅X3PW

其中，V为磨损量；L为载荷；PW为材料硬度。

刀片的磨损量与所受载荷成正比，如刀刃处受力均匀，可以有效减少磨损，提高刀片的使用寿命。应用ANSYS对部件进行有限元分析[11],对动刀片应力分析，如表1所示。Burmistrova通过试验测得秸秆被切碎的力为7.0～18.4N/mm[9],刀片长度176mm,则刀刃上载荷F=18×176=3160N,沿刀刃前表面向上。为保证刀片的强韧性、耐磨性和热处理工艺性要求。选择65Mn作为动刀片材料[12],并会对刀刃涂层，保证更好的耐磨性。

通过ANSYS分析发现动刀在使用圆孔与螺栓固定时(见图9),刀片折弯到与螺栓固定面之间受应力较大，故在螺栓与动刀上表面加装一层板体(见图10)使应力能够分散，减少对刀具的损坏。为便于安装将圆孔扩大为长豁孔(见图11),可以对刀片加工安装使用过程中造成的误差进行调节，对其进行有限元分析，应力与圆孔一致，不影响其强度。分析过程中发现：刀具两端所受应力较大，故刀具在安装过程中交错布置，可减少刀刃两端受力。

通过ANSYS分析发现动刀在使用圆孔与螺栓固定时(见图9),刀片折弯到与螺栓固定面之间受应力较大，故在螺栓与动刀上表面加装一层板体(见图10)使应力能够分散，减少对刀具的损坏。为便于安装将圆孔扩大为长豁孔(见图11),可以对刀片加工安装使用过程中造成的误差进行调节，对其进行有限元分析，应力与圆孔一致，不影响其强度。分析过程中发现：刀具两端所受应力较大，故刀具在安装过程中交错布置，可减少刀刃两端受力。通过ANSYS分析发现动刀在使用圆孔与螺栓固定时(见图9),刀片折弯到与螺栓固定面之间受应力较大，故在螺栓与动刀上表面加装一层板体(见图10)使应力能够分散，减少对刀具的损坏。为便于安装将圆孔扩大为长豁孔(见图11),可以对刀片加工安装使用过程中造成的误差进行调节，对其进行有限元分析，应力与圆孔一致，不影响其强度。分析过程中发现：刀具两端所受应力较大，故刀具在安装过程中交错布置，可减少刀刃两端受力。

动刀座是将动刀固定在切碎器辊体上的部件，动刀座的强度影响动刀片安装的参数(见表2),故对其进行应力分析(见图12)。

通过ANSYS对动刀座有限元分析，在动刀座后端所受应力较大，但并未超过其最大屈服强度，不影响动刀片的安装参数。在安装过程中，要对后端的固定做加固，防止受应力过大，影响切碎器的性能。

4、切碎器性能试验

4.1试验方案

为方便试验，搭建切碎器试验台，如图13所示。工作时，利用电动机带动切碎器旋转，使用电能表测量切割所耗电量。以滑切角大小与秸秆含水率为影响因素，试验滑切角和秸秆含水率对标准草长率及耗电量的影响。

切碎器对物料进行切割，直接影响最终的饲料切段长度。对于青贮饲料收获评价指标为标准草长率，标准草长是指切碎后的草段长度(0.7～1.2倍)的设计草长。根据青贮机的鉴定大纲，标准草长率的测定方法为选择直立状态的秸秆类作物和未收割牧草试验时，在收获的物料中随机取出小样(叶除外)不少于100g,测量每节长度，按照下列公式计算，即

Sc=GcGy×100%

其中，Sc为标准草长率；Gc为标准长度草的总质量(g);Gy为小样质量(g)。

为方便试验，采用电机带动切碎器转动，使用电能表测量切割所消耗电量。以滑切角大小与秸秆含水率为影响因素，试验其对标准草长率和耗电量的影响，因素水平如表3所示

4.2试验结果及分析

为保证试验的准确性，使电机的转速、喂入料层的厚度保持每次试验基本一致，完成9组试验，分别记录耗电量和计算标准草长率，试验结果及分析如表4～表6所示。

分别通过对标准草长率和耗电量试验数据的极差分析，得出对标准草长率较优的组合为B3A2,对耗电量较优的组合为A2B1。

通过试验结果发现：秸秆含水率比滑切角对标准草长率的影响大，且含水率越高，最终的标准草长率越高；滑切角会使切割存在锯断现象，导致在滑切角为10°时的标准草长率有明显上升，比完全的压切所产生的效果好。但是，在滑切角增加过大，导致秸秆滑动，不能很好地完成切割。耗电量也是跟随秸秆含水量的增加而增大，但通过滑切角的改变可以减少耗电量的大小。一般青贮玉米收获是在含水率为55%～70%时进行收获，为了兼顾标准草长率和耗电量，动刀片的滑切角为10°。

5、结论

1)滚刀切碎器对比盘刀式切碎器结构更加紧凑，在滚筒圆周上可以安装更多的刀片，在同样切段长度的条件下，滚刀切碎器的旋转速度更慢。相较于盘刀式切碎器，滚刀式切碎器的切碎质量更好，切段长度均匀，刀片安装拆卸方便。

2)对比3种形式的滚刀式切碎器选取其优点，设计了一种动刀刃线与轴线存在夹角，分左右呈“人”字型布置，将长的平板刀分成多块小刀片，交错布置。其动刀刃线与定刀刃线存在夹角，刃口向内倾斜，且刀片是通过动刀座与切碎辊相连，既保证能够产生滑切，减少切碎功率的消耗，又保证抛送的效果。

3)通过ANASY对动刀片与动刀座所受应力进行分析，对所受应力大的部分结构进行改造，使其工作更加可靠稳定。

4)试验结果表明：当滑切角为10°、倾斜角5°、刃磨角25°、前倾角60°时，性能优良，切断均匀，在保证低功率消耗的同时确保良好的切草质量和抛送效果。

参考文献:

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文章来源:王教滨,阿力木·买买提吐尔逊,李谦绪,韩长杰,姚河江,马清明.青饲料收获机切碎装置设计与试验[J].农机化研究,2024,46(05):31-36+44.